CN111203670B - Cmt电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝及其制备方法、应用 - Google Patents
Cmt电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝及其制备方法、应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝及其制备方法、应用，包括：焊丝管和被包于其内的药粉；所述药粉以质量份计如下：钼粉38‑45份，碳化硼5‑12份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂3‑5份；其中，所述复合变质剂包括：纳米碳化钛、碳化钨和铁粉。本发明综合利用Mo2FeB2、纳米TiC、WC改变Cr7C3形态，以解决CMT电弧增材制造工艺热输入低、熔池存在时间短、冶金反应不充分的问题，获得了更优的增材制造和再制造效果。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料领域，尤其涉及一种CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，适用于破碎锤头、磨煤机磨辊、水泥破碎磨辊等的增材制造与再制造。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
高铬铸铁作为优良的抗磨材料，在矿山、水泥、电力、筑路机械等方面得到广泛应用。目前经常使用的高铬铸铁一般为含碳量在2.5％～3.5％、含铬量10.0％～30.0％的亚共晶高铬铸铁，采用铸造技术制造铸件，是用于低冲击载荷和高应力磨损工况、性价比很高的材料。过共晶高铬铸铁由于含有较多的高硬度M7C3碳化物，因而比亚共晶高铬铸铁更适于制造耐磨件，但其粗大的初生碳化物导致其韧性偏低，在用常规铸造方法生产尺寸较大和形状复杂的铸件时因裂纹等缺陷而造成大量废品，因而又被认为是不适于铸造的材料，不能大规模地应用于耐磨铸件的生产上。
药芯焊丝的熔覆沉积合金层由于含有较多粗大的柱状M7C3碳化物，在冲击载荷作用下容易脱落，不适于冲击磨损工况，其应用范围受到极大限制。因此，提高过共晶高铬铸铁的抗冲击性能受到业界的普遍关注，并开展了许多研究工作。如研究了钛含量对4％C-20％Cr(质量分数)过共晶高铬铸铁显微组织的影响，发现弥散分布的TiC可能作为初生碳化物的异质形核质点，同时TiC颗粒阻碍初生碳化物的长大，有细化初生碳化物Cr7C3的作用。研究发现，铌Nb也所有类似的作用。
但发明人发现：目前CMT电弧增材制造和再制造的效果仍有待提升。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种CMT(冷金属过渡)电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝。综合利用Mo2FeB2、纳米TiC、WC改变Cr7C3形态，以解决CMT电弧增材制造工艺热输入低、熔池存在时间短、冶金反应不充分的问题，获得更优的增材制造和再制造效果。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，包括：焊丝管和被包于其内的药粉；所述药粉以质量份计如下：钼粉38-45份，碳化硼5-12份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂3-5份；
其中，所述复合变质剂包括：纳米碳化钛、碳化钨和铁粉。
本发明的原理为：用Mo2FeB2、纳米TiC、WC复合强化，且纳米TiC和WC作为非自发形核的核心，碎化Cr7C3，使其由长条状变为块状，或者使长条变短，提高耐磨、抗裂和抗冲击性能。
三元硼化物Mo2FeB2的线膨胀系数与钢接近，对提高抗裂性能亦有利，且通过其与Cr7C3的相互作用，使Cr7C3细化和改变形态，进一步提高耐磨性能、抗裂性能和抗冲击性能。
纳米碳化钛的密度远小于高铬铸铁，加入后在熔池中容易上浮，使组织不均匀，本专利用将密度大的碳化钨和密度小的碳化钛，按比例制备出复合变质剂粉末，使其密度与高铬铸铁一致，从而能均匀分布于熔池内，使组织均匀。同时加入的碳化钨进一步提高了耐磨性能。
本发明的第二个方面，提供了一种CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝的制备方法，包括：
将钼粉、碳化硼、碳化铬、高碳铬铁、复合变质剂混合均匀，形成混合药粉；
将钢带清洗后，轧制成U形，再向U形糟中加入所述混合药粉；
将U形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到3.2mm～6.0mm；
将药芯焊丝层绕成盘，即得CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝。
药芯焊丝中加入复合变质剂细化过共晶高铬铸铁中的初生碳化物，改变其形态，获得复合耐磨强化相，提高其抗冲击、抗裂、耐磨耐腐蚀性能。
本发明的第三个方面，还提供了任一上述的CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝在破碎锤头、磨煤机磨辊或水泥破碎磨辊堆焊中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)用Mo2FeB2、纳米TiC、WC复合强化，且纳米TiC、WC作为非自发形核的核心，碎化Cr7C3，使其由长条状变为块状，或者使长条变短，提高耐磨、抗裂和抗冲击性能。
(2)三元硼化物Mo2FeB2的线膨胀系数与钢接近，对提高抗裂性能亦有利，且通过其与Cr7C3的相互作用，使Cr7C3细化和改变形态，进一步提高耐磨性能、抗裂性能和抗冲击性能。
(3)纳米碳化钛的密度远小于高铬铸铁，加入后在熔池中容易上浮，使组织不均匀，本专利将密度大的碳化钨和密度小的碳化钛，按比例制备出复合变质剂粉末，使其密度与高铬铸铁一致，从而能均匀分布于熔池内，使组织均匀。同时加入的碳化钨进一步提高了耐磨性能。
(4)综合利用Mo2FeB2、纳米TiC、WC改变Cr7C3形态，以适应CMT电弧增材制造工艺热输入低、熔池存在时间短、冶金反应不充分的问题，获得更优的焊丝性能。
(5)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例3加入复合变质剂组织；
图2是本发明对比例1不加复合变质剂的组织；
图3是本发明对比例2加入纳米碳化钛变质剂的组织。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种CMT(冷金属过渡)电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，包括焊丝管壁和被包于其内的药粉；所述药粉以质量份计如下：
钼粉38-45，碳化硼5-12，碳化铬40，高碳铬铁10，复合变质剂3-5。
复合变质剂由质量百分比为67.83％纳米碳化钛+22.17％碳化钨+10％的铁粉组成，其制备工艺为：将平均粒径为75微米(200目)的碳化钨粉末、平均粒径为40纳米的纳米碳化钛粉末、平均粒径为48微米(300目)的铁粉，按照22.17wt％、67.83wt％、10％配比混合均匀后，加入复合变质剂总质量0.1％的硬脂酸锌、复合变质剂总质量2.5％的聚乙稀醇饱和溶液粘结剂充分搅拌，球磨30min使其均匀混合后，采用已有模具在200t压力机下冷压成坯。以10℃/min升温速度，分别在45℃保温1小时，1000℃保温1小时，制备出结合强度高、密度与高铬铸铁相近的复合变质剂预制体，然后将预制体采用机械方法破碎、筛分，获得75微米-180微米(-80目～+200目)的复合变质剂粉末。
上述纳米碳化钛的成分以质量百分比计TiC含量不小于99.9％，平均粒径为40纳米。碳化钨的成分以质量百分比计WC含量不小于99.7％，平均粒径75微米(200目)。铁粉为雾化铁粉，以质量百分比计Fe含量不小于99.9％，平均粒径为48微米(300目)。
复合变质剂的作用：碳化钨的密度为15770kg/m3，碳化钛的密度为4930kg/m3，高铬铸铁和铁的密度为7600kg/m3。67.83％碳化钛+22.17％碳化钨+10％的铁粉的密度与高铬铸铁一致。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
(1)配粉药粉配方以质量份计为，钼粉42份，碳化硼5份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂3份。粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉10分钟，获得药粉；
其中，复合变质剂由质量百分比为67.83％纳米碳化钛+22.17％碳化钨+10％的铁粉组成，铁粉为粘结剂。其制备工艺为：将平均粒径75微米(200目)碳化钨粉末、平均粒径为40纳米的纳米碳化钛粉末、平均粒径为48微米(300目)的铁粉，按照22.17wt％、67.83wt％、10％配比混合均匀后，加入复合变质剂总质量0.1％的硬脂酸锌、复合变质剂总质量2.5％的聚乙稀醇饱和溶液粘结剂充分搅拌，球磨30min使其均匀混合后，采用已有模具在200t压力机下冷压成坯。以10℃/min升温速度，分别在45℃保温1小时，1000℃保温1小时，制备出结合强度高、密度与高铬铸铁相近复合变质剂预制体，然后将预制体采用机械方法破碎、筛分，获得75微米-180微米(-80目～+200目)的复合变质剂粉末。
(2)将20mm宽、0.3mm厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为56％；
(3)将U形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到3.2mm。
(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。
上述金属粉芯焊丝采用富氩气体Ar+1％CO2保护的CMT电弧熔覆，焊接电流300A；电压28V；气体流量18L/min；焊丝伸出长度14mm，焊接速度为0.5m/min。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小，在厚度为20mm的Q345钢板表面熔覆4层表面无裂纹，抗裂性好。熔覆金属的平均硬度为HRC56。
实施例2：
(1)配粉药粉配方以质量份计为，钼粉38份，碳化硼7份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂5份。粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉8分钟，获得药粉；
其中，复合变质剂由质量百分比为67.83％纳米碳化钛+22.17％碳化钨+10％的铁粉组成，铁粉为粘结剂。其制备工艺为：将平均粒径75微米(200目)碳化钨粉末、平均粒径为40纳米的纳米碳化钛粉末、平均粒径为48微米(300目)的铁粉，按照22.17wt％、67.83wt％、10％配比混合均匀后，加入复合变质剂总质量0.1％的硬脂酸锌、复合变质剂总质量2.5％的聚乙稀醇饱和溶液粘结剂充分搅拌，球磨30min使其均匀混合后，采用已有模具在200t压力机下冷压成坯。以10℃/min升温速度，分别在45℃保温1小时，1000℃保温1小时，制备出结合强度高、密度与高铬铸铁相近复合变质剂预制体，然后将预制体采用机械方法破碎、筛分，获得75微米-180微米(-80目～+200目)的复合变质剂粉末。
(2)将25mm宽、0.3mm厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为60％；
(3)将U形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到4.0mm。
(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。
上述金属粉芯焊丝采用Ar+1.5％CO2富氩气体保护的CMT电弧熔覆，焊接电流450A；电压42V；气体流速23L/min；焊丝伸出长度28mm，焊接速度为0.5m/min。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小，在厚度为20mm的Q345钢板表面熔覆4层表面无裂纹，抗裂性好。熔覆金属的平均硬度为HRC62。
实施例3：
(1)配粉药粉配方以质量份计为，钼粉39份，碳化硼7份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂4份。粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉9分钟，获得药粉；
其中，复合变质剂由质量百分比为67.83％纳米碳化钛+22.17％碳化钨+10％的铁粉组成，铁粉为粘结剂。其制备工艺为：将平均粒径75微米(200目)碳化钨粉末、平均粒径为40纳米的纳米碳化钛粉末、平均粒径为48微米(300目)的铁粉，按照22.17wt％、67.83wt％、10％配比混合均匀后，加入复合变质剂总质量0.1％的硬脂酸锌、复合变质剂总质量2.5％的聚乙稀醇饱和溶液粘结剂充分搅拌，球磨30min使其均匀混合后，采用已有模具在200t压力机下冷压成坯。以10℃/min升温速度，分别在45℃保温1小时，1000℃保温1小时，制备出结合强度高、密度与高铬铸铁相近复合变质剂预制体，然后将预制体采用机械方法破碎、筛分，获得75微米-180微米(-80目～+200目)的复合变质剂粉末。
(2)将20mm宽、0.5mm厚304不锈钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为65％；
(3)将U形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到3.2mm。
(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。
上述金属粉芯焊丝采用Ar+1％CO2富氩气体保护的CMT电弧熔覆，焊接电流390A；电压38V；气体流速20L/min；焊丝伸出长度20mm，焊接速度为0.5m/min。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小，在厚度为20mm的Q345钢板表面熔覆4层表面无裂纹，抗裂性好。熔覆金属的平均硬度为HRC65。如图1所示，加入复合变质剂组织，硬质相细化，分布均匀。
实施例4：
(1)配粉药粉配方以质量份计为，钼粉45份，碳化硼12份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂3份。粉末的粒径为75微米～180微米(即粒度为-80目～+200目)。按配方比例称量后混粉8分钟，获得药粉；
其中，复合变质剂由质量百分比为67.83％纳米碳化钛+22.17％碳化钨+10％的铁粉组成，铁粉为粘结剂。其制备工艺为：将平均粒径75微米(200目)碳化钨粉末、平均粒径为40纳米的纳米碳化钛粉末、平均粒径为48微米(300目)的铁粉，按照22.17wt％、67.83wt％、10％配比混合均匀后，加入复合变质剂总质量0.1％的硬脂酸锌、复合变质剂总质量2.5％的聚乙稀醇饱和溶液粘结剂充分搅拌，球磨30min使其均匀混合后，采用已有模具在200t压力机下冷压成坯。以10℃/min升温速度，分别在45℃保温1小时，1000℃保温1小时，制备出结合强度高、密度与高铬铸铁相近复合变质剂预制体，然后将预制体采用机械方法破碎、筛分，获得75微米-180微米(-80目～+200目)的复合变质剂粉末。
(2)将35mm宽、0.3mm厚304不锈钢钢带用超声波清洗设备清洗后，用现有的药芯焊丝生产设备，将上述钢带轧制成U形，再向U形糟中加入步骤(1)制成的药粉，填充率(药粉质量与药芯焊丝质量的比值)为70％；
(3)将U形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝摸，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到6.0mm。
(4)将步骤(3)所得的药芯焊丝层绕成盘，即得堆焊用药芯焊丝成品。
上述金属粉芯焊丝采用富氩气体Ar+1.5％CO2保护的CMT电弧熔覆，焊接电流450A；电压42V；气体流量25L/min；焊丝伸出长度25mm，焊接速度为0.5m/min。焊丝的焊接工艺性能好，电弧稳定、飞溅小，在厚度为20mm的Q345钢板表面熔覆4层表面无裂纹，抗裂性好。熔覆金属的平均硬度为HRC67。
对比例1
与实施例1的不同之处在于：复合变质剂为0。对熔敷金属进行冲击磨损试验，采用MLD-10型动载磨粒磨损试验机，冲锤载荷100N，冲击次数为100r/min，下试样材料为40Si2Ni2CrMoV钢(HRC50)，下试样转速为200r/min，磨料20目白刚玉，冲击磨损试样尺寸为10mm×10mm×40mm，冲击功为3.5J，冲击磨损时间为1小时。实施例1磨损失重为0.12g，对比例1的磨损失重为0.37g。通过实施例1与对比例1的比对，表明本发明复合变质剂有效提升了熔覆金属的抗冲击磨损性能，实施例1的耐磨性是对比例1的3倍多。
在厚度为20mm的Q345钢板表面熔覆1层表面无裂纹，熔覆第二层表明出现裂纹，裂纹率(裂纹长度与熔覆焊道长度之比)为23％，抗裂性能不如实施例1。
由图2可知，不加复合变质剂的组织，硬质相粗大，分布不均匀。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，不用复合变质剂，采用纳米碳化钛代替复合变质剂。对熔敷金属进行冲击磨损试验，采用MLD-10型动载磨粒磨损试验机，冲锤载荷100N，冲击次数为100r/min，下试样材料为40Si2Ni2CrMoV钢(HRC50)，下试样转速为200r/min，磨料20目白刚玉，冲击磨损试样尺寸为10mm×10mm×40mm，冲击功为3.5J，冲击磨损时间为1小时。实施例1磨损失重为0.12g，对比例2的磨损失重为0.26g。通过实施例1与对比例2的比对，表明采用复合变质剂的实施例1的耐磨性是采用纳米碳化钛变质剂对比例2的2倍多。加纳米碳化钛变质剂的对比例2的耐磨性能优于不用变质剂的对比例1的。
对比例2熔敷金属硬度的最大值与最小值相差HRC5，实施例1熔覆金属硬度的最大值与最小值相差HRC2，说明复合变质剂使熔敷金属硬质相分布更加均匀。
由图3可知，加入纳米碳化钛变质剂的组织，硬质相尺寸大小不一，分布不均匀。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，其特征在于，包括：焊丝管和被包于其内的药粉；所述药粉以质量份计如下：钼粉38-45份，碳化硼5-12份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂3-5份；
其中，所述复合变质剂包括：纳米碳化钛、碳化钨和铁粉；
所述复合变质剂中，纳米碳化钛、碳化钨和铁粉的质量比为65~70：20~25：10；
所述纳米碳化钛的成分以质量百分比计TiC含量不小于99.9%，平均粒径为40~42纳米；
所述碳化钨的成分以质量百分比计WC含量不小于99.7%，平均粒径为75~80微米。
2.如权利要求1所述的CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，其特征在于，所述药粉以质量份计如下：钼粉38-42份，碳化硼5-8份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂3-4份。
3.如权利要求1所述的CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，其特征在于，所述药粉以质量份计如下：钼粉45份，碳化硼12份，碳化铬40份，高碳铬铁10份，复合变质剂3份。
4.如权利要求1所述的CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，其特征在于，所述复合变质剂的制备方法为：
将碳化钨粉末、纳米碳化钛粉末和铁粉按照配比混合均匀，随后加入硬脂酸锌、聚乙稀醇饱和溶液混合、球磨、冷压成坯；
将坯体在45~50℃保温1~1.2小时，1000~1050℃保温1~1.2小时，制备出复合变质剂预制体；
然后将预制体破碎、筛分，获得-80目~+200目的复合变质剂粉末。
5.如权利要求1所述的CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝，其特征在于，上述的增材制造用金属粉芯焊丝的填充率为56%~70%。
6.如权利要求1-5任一项所述的CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括：
将钼粉、碳化硼、碳化铬、高碳铬铁、复合变质剂混合均匀，形成混合药粉；
将钢带清洗后，轧制成U形，再向U形糟中加入所述混合药粉；
将U形槽合口，使药粉包裹其中，合口部位采用搭接连接方式；通过拉丝模 ，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到3.2mm~6.0mm；
将药芯焊丝层绕成盘，即得CMT增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝。
7.权利要求1-5任一项所述的CMT电弧增材制造用复合颗粒强化金属粉芯焊丝在破碎锤头、磨煤机磨辊或水泥破碎磨辊堆焊中的应用。
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